II) Ein paar grundsätzliche Dinge über Kraftstoffe für Bikes und Dosen

Dies ist der zweite Teil einer dreiteiligen Story. Hier geht es zum ersten Teil.

Erneuerbare Energiequellen sind sinnvoll und immens wichtig. Ohne sie wird in Zukunft irgendwann vermutlich nichts mehr gehen. Doch wie nutzt man sie sinnvoll auch für den Kraftverkehr und insbesondere für das Leben auf zwei Rädern?

Wie lang wird es wohl die gute, alte Tanke noch geben? (Bild: chapay von Pixabay)

Egal, ob man an den menschengemachten Klimawandel glaubt oder nicht, unabhängig davon wie sich das Klima tatsächlich entwickeln wird, kommen wir an einem nicht vorbei: an den Erneuerbaren Energiequellen. Auf jeden Fall hat, egal ob nun zutreffend oder nicht, die Annahme, dass wir schuld daran sind, dass es in den letzten Jahrzehnten wärmer geworden ist, ein Gutes: Die Politik fördert die Nutzung der Erneuerbaren Energiequellen. Die brauchen wir nämlich auf jeden Fall. Zum einen ist die Kohle definitiv endlich und wächst nicht nach und auch bei Erdöl und Erdgas müssen wir nach unserem derzeitigen Kenntnisstand davon ausgehen, dass sie endlich sind. Zum anderen müssen wir fossile Energieträger zum überwiegenden Teil importieren und das zu einem erheblichen Teil aus Ländern, mit deren jeweiligen politischen Systemen wir wenig bis gar nicht einverstanden sind.

So lange nun aber Menschen auf diesem Planeten überhaupt leben können, werden Wind und Sonne da sein. Wenn wir sie nutzen, haben wir das Energieproblem nachhaltig, dauerhaft und ein für allemal gelöst. Wind und Sonne können wir überdies im eigenen Land nutzen. Dadurch sind unsere Energieversorgung und die Kosten dafür zumindest zu einem mehr oder weniger großen Teil unabhängig von weltpolitischen und weltwirtschaftlichen Verwerfungen.

Wie für Fahrzeuge nutzen und wie speichern?

Wenn wir uns in Zukunft komplett mit Energie aus erneuerbaren Quellen versorgen werden, müssen wir natürlich a) auch unsere Fahrzeuge damit betreiben und sie b) speichern können. Elektro- und Wasserstofffahrzeuge will außerhalb der Phantasie einiger Leute kaum jemand, weil sie unpraktischer sind als das, was wir jetzt haben. Das wurde ja im ersten Teil der Geschichte sattsam beleuchtet.

Die Sonne ist unser wahrer Primärenergielieferant (Bild: Olga Ernst/Lizenz: Creative-Commons-Lizenz „Namensnennung – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 international“)

Eine neue Lösung muss aber her. Aber welche? Nun: Eine neue Lösung ist um so besser, je mehr sie von der alten Lösung weiterverwendet. Im Falle Mobilität mit Energie aus nachhaltigen Quellen bedeutet das, dass wir Wind- und Sonnenkraft so einsetzen sollten, dass wir bereits vorhandene Technik nahtlos weiterverwenden können. Das geht, wie wir im dritten Teil dieser Story sehen werden, in der Tat und löst gleichzeitig auch noch das leidige Speicherproblem mit den volatilen Energiequellen Wind und Sonne.

Zunächst sollten wir uns aber ein paar grundsätzliche Gedanken über Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren machen. Das hilft nicht nur, zu verstehen, wie man so etwas künstlich herstellen kann, sondern ist ganz allgemein für Motorenbenutzer nicht ganz unnütz.

Die Sonne, unsere wahre Primärenergiequelle

Schauen wir einmal genauer hin, werden wir feststellen, dass außer Kernkraft, Gezeitenenergie und Erdwärme alle Energie, die uns zur Verfügung steht, in letzter Instanz von der Sonne kommt. Allerdings liefert die auch Energie satt: Rein rechnerisch reicht die Energie, welche die Sonne in einer einzigen Stunde auf die Erde bratzt, für den kompletten Energiebedarf unseres Planeten für ein ganzes Jahr locker aus.

Aus dieser gigantischen Quelle können wir also Energie schöpfen. Da müssen wir uns um Wirkungsgrad-Prozentchen nicht besonders viel Gedanken machen. Interessant ist jetzt – neben dem Landschaftsverbrauch – nur noch, ob eine Technik zur Energiegewinnung insgesamt ihre Anlagen- und Betriebskosten einspielt; wie gut sie die eingesetzte Primärenergie verwertet, ist mehr oder weniger nebensächlich.

Sieht man einmal von winzigen Ausnahmen – mir fallen da nur gewisse anaerobe Mikroben ein, die sich von Schwefel ernähren – ab, entsteht Biomasse auf unserem Planeten nur durch einen einzigen Prozess, nämlich durch die Photosynthese in den grünen Teilen von Pflanzen. Alles, was da sonst kreucht und fleucht – die Tiere – oder auch nicht kreucht und fleucht – die Pilze – frisst Pflanzen oder etwas, was Pflanzen frisst oder etwas das etwas frisst, das etwas frisst, das Pflanzen frisst…

Energieträger aus Biomasse, Walöl, Palmöl, Holz, Energiemais und, und, und… enthalten Energie, die ursprünglich durch die Photosynthese aus Sonnenlicht gewonnen wurde. Fossile Energieträger – Torf, Kohle, Erdöl und Erdgas – sind wiederum sind aus toten Lebewesen entstanden. Windkraft kommt von Luftströmungen, die entstehen weil die Sonne Luft erwärmt. Die Sonne steckt auch hinter der Wasserkraft, denn sie ihre Wärme hebt das Wasser hoch und transportiert es bis auf die höchsten Berggipfel. Von da kommt es dann in Form von Fließgewässern zurück, deren Energie wir nutzen können.

Auch hinter der Windenergie steckt letztendlich die Sonne… (Bild: Autor)

Man kann es auch so sehen, dass die Sonne Materie mit Energie auflädt: Mit Wärmeenergie zunächst, was wir sogar direkt sinnlich wahrnehmen können; woraus dann verschiedene andere Energieformen werden: Kinetische Energie beim Wind, Lageenergie beim Wasser und – hier durch das Licht – chemische Energie in grünen Pflanzenteilen.

Aus dem Zucker, den die Pflanzen bei der Photosynthese aus CO2 und Wasser machen, entstehen weitere Bausteine von Organismen: andere Zucker bzw. Kohlenhydrate wie Stärke und Zellulose, pflanzliche Fette und Eiweiße. Tiere, die Pflanzen fressen machen daraus dann tierische Fette und Eiweiße. Irgendwann wird das alles wieder abgebaut. Der Kohlenstoff aus dem CO2 der Luft macht die eine oder andere Station in der Körpersubstanz lebender Organismen. Irgendwann wird aber alle Biomasse komplett zerlegt um daraus Energie zu gewinnen. Dabei entstehen dann in der Regel CO2 und Wasser, also genau das, was dann wieder von den Pflanzen verwendet wird, um neue Biomasse zu erstellen. Der Kohlenstoff hat dann wieder alle Energie verloren, mit denen er von den Pflanzen aufgeladen wurde, steht aber als CO2 wieder zur Verfügung, um ihnen erneut als Ausgangsmaterial zu dienen.

Zwei Ausnahmen gibt es aber: Wenn an tote Biomasse nicht genug Sauerstoff zum Verrotten gelangt, zum Beispiel im Schlamm eines Gewässers, wird sie von anaeroben Mikroorganismen zersetzt, das heißt solchen, die ohne Sauerstoffleben können. Dabei entsteht dann Methan, dass noch einen Teil der Energie aus der Photosynthese enthält. Deswegen brennt es auch und kann als Energieträger genutzt werden. Diesen Vorgang lässt man in Biogasanlagen gezielt ablaufen, um Methan als Brennstoff zu gewinnen.

Die andere Ausnahme tritt ein, wenn Biomasse unter die Erde gerät und so dicht von der Biosphäre abgeschlossen wird, dass nicht einmal mehr anaerobe Mikroben daran gelangen. Dann zersetzt sich die Biomasse und es entstehen hochmolekulare Kohlenwasserstoffe (also Makromoleküle aus Kohlenstoff und Wasserstoff), der Haupt- und interessanteste Bestandteil von Kohle oder einfachere Kohlenwasserstoffe, im Falle von Erdgas und Erdöl. Das sind die fossilen Energieträger, die also aus Biomasse entstanden sind, die vor langer Zeit erzeugt worden ist.

Wie sehen nun Kohlenwasserstoffe aus?

Kohlenwasserstoffe sind also die entscheidenden Bestandteile des Erdöls und damit der Treib- und Schmierstoffe, die man (bis jetzt noch) daraus macht. Letztendlich sind sie durch die Photosynthese in die Welt gekommen. Benzin und Dieselöl sind nun jeweils Mischungen aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Die genauen Zusammensetzungen sind dabei variabel, wichtig ist halt, dass die Mischungen die verlangten Eigenschaften wie Energiegehalt und Zünd(un)willigkeit der jeweiligen Kraftstoffsorte haben.

Strukturformel und Modell von Methan

Chemische Verbindungen entstehen nun aus Atomen, die sich gewissermaßen zusammenkoppeln. Das hat mit den Elektronen zu tun, aber so genau brauchen wir das nicht zu wissen; es reicht, wenn wir uns vorstellen, dass jedes Atom ein oder mehrere „Bindungsärmchen“ hat, mit dem es sich mit anderen Atomen verbinden kann. So entstehen Moleküle und damit chemische Verbindungen.

Kohlenwasserstoffe sind nun Verbindungen, die aus Kohlenstoff- und Wasserstoff entstehen; dabei hat der Wasserstoff ein Bindungsärmchen, der Kohlenstoff deren vier. Die einfachste solche Verbindung ist das Methan, das wir als Erdgas kennen. Dass Erdgas fast reines Methan ist, spielt ein wichtige Rolle im Zusammenhang mit dem Antrieb von Fahrzeugen und der Speicherung von Strom, der aus Wind und Sonne zur Unzeit entsteht. Dazu aber später mehr.

Die Alkane

Ein Kohlenstoffatom kann nun mit seinen vier Bindungsärmchen jeweils das eine Bindungsärmchen von vier Wasserstoffatomen schnappen. Dabei entsteht ein Methanmolekül. Die Summenformel von Methan heißt CH4; die Strukturformel und ein Modell des Moleküls sind in der Abbildung oben zu sehen.

Das Methan ist nun der erste und einfachste Kohlenwasserstoff (und überhaupt der einfachste) in der so genannten homologen Reihe der Alkane. Die Kohlenwasserstoffe (eigentlich gilt das für alle chemischen Verbindungen) sind nun so eine Art Baukastensystem. Dazu aber gleich mehr.

Methan kann brennen, wie gesagt, und wenn es das tut, passiert folgendes: Man braucht zwei Sauerstoffmoleküle O2, die nun mit dem Versprechen einer festeren Bindung das Kohlenstoff- und die vier Wasserstoffatome auseinander dividieren und mit ihnen Verbindungen eingehen:

CH4 + 2O2 => CO2 + 2 H2O

Auf gut Deutsch: Das C-Männlein lässt sich von seinen 4 Wasserstoff-Weiblein scheiden und die beiden schwulen (oder lesbischen?) Sauerstoff-Pärchen trennen sich ebenfalls. Zwei der Sauerstoffatome heiraten das Kohlenstoff-Atom und die beiden anderen jeweils zwei seiner nun Ex-Gefährt*n.

Gendering und Abkehr von der binären Geschlechtlichkeit ist es zu danken, dass mensch (m/w/d) die Chemie in diesen Tagen wesentlich plausibler erklären kann als früher, da es nur Männlein und Weiblein gab: So wie manche sagen, dass es quasi unendlich viele Geschlechter gäbe und gar jeder einzelne Mensch sein persönliches, individuelles besitzt, kann man sich nämlich auch vorstellen, dass jedes chemische Element sein eigenes Geschlecht hat und so all die vielen bunten Möglichkeiten sexueller Beziehungen zwischen ihnen entstehen.

Um im Bild zu bleiben: Warum kommen die vier Sauerstoffatome in der obigen Formel als 2 O2 daher und nicht als 4 O? Nun, Sauerstoffatome (und die anderer Gase wie Wasserstoff und Stickstoff auch) fürchten sich, wenn sie alleine in der Welt stehen. Deswegen gehen sie, so sie niemanden anderen Geschlechtes finden, gleichgeschlechtliche Verbindungen ein und kommen als schwule Pärchen daher.

Ein paar Beispiele für (recht einfache) Kohlenwasserstoffe

Nur die Edelgas-Atome sind gänzlich asexuell. Wie jemand, der eine dicke Tüte geraucht hat, grinsend in der Ecke liegt und sich nur noch alles anschaut, interessieren sie sich nur für sich selbst und gehen – zumindest freiwillig – keine Bindungen ein.

Okay, jetzt aber zurück zum eigentlichen Thema: Wie bereits gesagt, sind ja die Kohlenwasserstoffe eine Art Baukastensystem. Nehmen wir nun eines der Wasserstoffatome des Methans weg und setzen an diese Stelle ein weiteres Kohlenstoffatom, bleiben an diesem drei Bindungsärmchen frei, an die wir jeweils ein Wasserstoffatom setzen können. Die Summenformel lautet nun C2H6 und die Strukturformel ist in der obigen Abbildung zu sehen.

Das gleiche geht auch mit drei Kohlenstoff- und acht Wasserstoffatomen, das heißt dann Propan und hat die Summenformel C3H8, mit vier Kohlenstoffatomen entsteht C4H10 aka Butan. So geht das weiter mit Pentan, Hexan, Heptan, Oktan… Bis zum Butan sind sie bei Raumtemperatur gasförmig, dann werden sie erst dünnflüssig, dann immer dickflüssiger, wachsartig und bei entsprechend langen Ketten sogar fest.

Alkene, Alkine und noch anderes so Zeugs

In solchen Kohlenwasserstoffketten können auch Doppel- und Dreifachbindungen vorkommen: Zwei Kohlenstoffatome, die sich mit jeweils zwei ihrer Bindungsärmchen halten, können mit ihren jeweils zwei übrigen Ärmchen vier Wasserstoffatome halten, das ist dann das erste der Alkene, das Ethen, das auch Äthylen oder Ethylen heißt und ebenfalls in der Abbildung zu sehen ist. Wenn man anstelle des einen Wasserstoffatoms (im Bild daneben zu sehen) nochmal eine einfache Bindung zu einem weiteren Kohlenstoffatom herstellt und daran drei Wasserstoffatome hängt, hat man das nächste Alken, das Propen.

Wenn man zwei Kohlenstoffatome mit einer Dreifachbindung versieht, ist noch platz für zwei Wasserstoffatome. Das ist das erste der Alkine, C2H2. Es hört offiziell auf den Namen Ethin, ist aber unter seinem Spitznamen weit bekannter: Die meisten kennen es als Acetylen, auch kurz Atze gerufen.

Isomere

Es gibt nun aber ab vier Kohlenstoffatomen mehr als eine Möglichkeit, Kohlenwasserstoffe zusammenzubauen. Je mehr Kohlenstoff- und Wasserstoff man hat, umso mehr Varianten gibt es. Diese Varianten nennt man Isomere. Zum Beispiel kann an einem der zwei freien Bindungsärmchen eines Kohlenstoffatoms in einem Alkan statt einem Wasserstoffatom ein weiteres Kohlenstoffatom und an dessen übrigen Bindungsärmchen je drei Wasserstoffatome sitzen. Also quasi ein Methanmolekül, dass an einem seiner Bindungsärmchen keine Wasserstoffatom hält, sondern mit einem Kohlenstoffatom einer Alkan-, Alken- oder Alkinkette So ein Auswuchs heißt übrigens Methylrest.

Die Alkane, bei denen die Kohlenstoffatome eine durchgehende Kette bilden nennt man n-Alkane, die Varianten mit verzweigter Kohlenstoffkette i-Alkane. Ab einer bestimmten Länge kann man die Kohlenstoffketten auch zu einem Ring zusammenschließen, das ergibt dann die zyklischen Kohlenwasserstoffe.

Noch mehr brennbares Zeux aus dem Kohlenstoff-Baukasten…

Wenn man anstelle von Wasserstoffatomen Sauerstoffatom an die Bindungsärmchen der Kohlenstoffatome setzt, haben die ein weiteres Bindungsärmchen frei, welches man mit einem Wasserstoffatom besetzen kann. Das nennt man dann OH-Gruppe. Alkane, an denen eine oder mehrere solche OH-Gruppen sitzen, sind Alkohole (siehe Abbildung). Der einfachste ist das Methanol (Methylalkohol), ein Methanmolekül, bei dem ein Wasserstoffatom durch eine OH-Gruppe ersetzt wurde. Ein Ethanmolekül mit einer OH-Gruppe heißt Ethanol oder landläufig Äthylalkohol. Beide können auch als Kraftstoff dienen. Die Motoren von Speedway-Maschinen werden zum Beispiel mit Methanol befeuert.

Es können auch mehrere OH-Gruppen an einem Alkan sitzen. Glycerin kennen wir als Pflegemittel für Gummidichtungen und es ist ein Beispiel dafür. Hier sitzt an jedem Kohlenstoffatom eines Propanmoleküls eine OH-Gruppe, also insgesamt deren drei. nach der Genfer Nomenklatur hört das Glycerin auf den schönen Namen 1,2,3-Propantriol, den man (z.B. nach der Melodie vom Lied der Schlümpfe) sogar singen kann.

Exkurs: Was es mit Oktan- und Cetanzahl auf sich hat

Die Geschichte mit der Isomerie ist nun deswegen interessant, weil sie für Kraftstoffe eine Rolle spielt. Je verzweigter ein Kohlenwasserstoff ist, umso schlechter lässt er sich anzünden. Das bedeutet nun im Zusammenhang mit Benzin, dass er sich weniger leicht beim Verdichten selbst entzündet, also zum Klopfen neigt. Beim Diesel wäre das nicht so gut, denn im Dieselmotor soll sich der eingespritzte Kraftstoff ja von selbst entzünden.

Mit den Namen wird es bei er Isomerie kompliziert. Die Chemiker haben eine ganz besondere Sprachregelung, die Genfer Nomenklatur; eigentlich heißt sie heute ja IUAPC-Nomenklatur. Wenn man die Strukturformel einer chemischen Verbindung sieht, kann man daraus nach dieser Nomenklatur ihren Namen bilden und umgekehrt. C8H10 heißt als n-Alkan n-Oktan oder einfach Oktan und ist im Bild oben abgebildet. Darunter sieht man eines seiner Isomere, das 2,2,4-Trimethylpentan. Dieses Zeugs nennt man im Zusammenhang mit der Klopffestigkeit auch Isooktan oder einfach schlampig Oktan.

Die Klopffestigkeit eines Benzins, das aus bis zu 150 verschiedenen Kohlenwasserstoffen besteht, macht man nun daran fest, dass man sie mit der von Isooktan bzw. einer Mischung aus diesem und n-Heptan (C7H16) vergleicht. Die Oktanzahl 100 bedeutet also, das ein Kraftstoff so klopffest ist wie reines Isooktan und eine von 95, dass die Klopffestigkeit so ist wie die einer Mischung aus 95% Isooktan und 5% n-Heptan.

Die Zündwilligkeit von Diesel macht man an der von n-Hexadecan (C16H34) fest, dass früher Cetan hieß. Als „Streckmittel“ dient hier 1-Methylnaphtalin. Eine Cetanzahl von 30 etwa bedeutet, dass der Dieselkraftstoff so gut zündet wie eine Mischung aus 30% n-Hexadecan und 70% 1-Methylnaphtalin.

„Künstliches Erdöl“

Nach diesem Exkurs über Oktan- und Cetan-Zahl kommen wir nun wieder zurück zum eigentlichen Thema: Der Ersatz der Treibstoffe aus Mineralöl durch synthetische Produkte. Darum wird es nämlich im dritten Teil dieser Geschichte gehen.